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亞特蘭蒂斯號太空梭於美國東部夏令時下午2:00剛過，從佛羅里達州肯尼迪航天中心順利升空。
亞特蘭蒂斯號搭載七名宇航員執行最後一次計劃的哈勃太空望遠鏡維修任務。其中四名宇航員將分成兩組，進行五次太空行走，以維修和升級哈勃望遠鏡，包括更換九月份部分故障的關鍵電子配電板，並安裝兩臺新的科學儀器等。
太空梭在2:01:56準時發射後八分半鐘進入軌道。在發射前檢查期間，地面工作人員曾對液氫管線上的結冰表示擔憂，但進一步檢查表明，結冰程度不足以在上升過程中構成危險。
週三，軌道飛行器將與哈勃望遠鏡交會，宇航員梅根·麥克阿瑟將小心地用機械臂將望遠鏡拉入亞特蘭蒂斯號的有效載荷艙。然後，漫長而雄心勃勃的維修過程開始了——而且，考慮到三月份前往國際空間站（ISS）的太空梭任務中出現的太空行走問題，如果亞特蘭蒂斯號機組人員無法完成所有目標，也就不足為奇了。
為期11天的亞特蘭蒂斯號任務，正式代號為STS-125，是在太空梭計劃明年按計劃退役之前的最後幾次飛行之一。日曆上只剩下七次發射，第一次是下個月前往國際空間站（ISS）的任務，以運送和安裝日本科學艙。